СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОЧНОСТЬЮ МНОГОПРОХОДНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B23Q15/02 

Изобретение относится к обработке металлов резанием и предназначено для управления точностью и контроля процесса многопроходной механической обработки.

Известна самонастраивающаяся система контроля и управления металлообрабатывающими станками [1] Она содержит измерительную головку контроля диаметра детали, анализатор неокруглости детали, формирователь команд на механизм продольной подачи заготовки. Система позволяет в случае превышения заданного значения погрешности формы в поперечном сечении обрабатываемой детали увеличить продолжительность обработки путем уменьшения продольной подачи и тем самым частично ликвидировать погрешность.

Недостатком известной системы является то, что она не устраняет отклонений геометрических параметров обрабатываемой детали от заданных значений. Кроме того, в ней не предусмотрено сохранение текущей информации о геометрических параметрах детали. Вследствие этого, погрешности обработки могут накапливаться в течение нескольких проходов, а известная система не предполагает подстройки станка с целью ликвидации допущенных ранее неточностей.

Из известных объектов наиболее близким по технической сущности к прелагаемому является способ многопроходной механической обработки и станок для осуществления [2] Способ предполагает, что перед каждым проходом фиксируются направляющие основного подвижного органа по координате, формирующей размер, а после выполнения прохода измеряется диаметральный размер обрабатываемой детали и сравнивается с заданным. Далее инструмент на рабочей подаче отводится для выполнения следующего прохода без перемещения по координате, формирующей размер, после чего осуществляется коррекция положения инструмента на величину рассогласования измеренного и заданного размеров.

Станок для осуществления описанного способа содержит станину, установленную на ней шпиндельную бабку, перемещаемую по направляющим, а также суппорт с револьверной головкой. Суппорт установлен с возможностью перемещения по направляющим и оснащен механизмом зажима направляющих. Револьверная головка снабжена приводом малых перемещений в направлении, перпендикулярном оси шпинделя, и механизмом зажима. Кроме того, на шпиндельной бабке установлено измерительное устройство.

Однако в известном способе корректировка положения режущего инструмента осуществляется по величине максимального диаметра изделия без учета распределения погрешностей по обрабатываемой поверхности. В результате этого, из-за различного рода погрешности отдельные участки обрабатываемой поверхности могут иметь размеры, отличные от зафиксированных измерительным устройством, а известный способ не позволяет скомпенсировать эти отклонения.

Сущность изобретения состоит в том, что в дополнение к известному способу многопроходной механической обработки, согласно которому после осуществления каждого прохода измеряется диаметральный размер обрабатываемой детали, сравнивается с заданным и перед следующим проходом производится коррекция положения инструмента на величину рассогласования измеренного и заданного размеров, в предлагаемом способе до начала обработки задаются требуемые геометрические параметры детали и их допуски, в ходе каждого прохода для всех точек обработанной поверхности измеряется величина радиуса, расстояние в продольном направлении от начала поверхности детали и угол поворота детали, по результатам измерения вычисляются и запоминаются координаты точек обрабатываемой детали, одновременно с этим формируется видеоизображение обрабатываемой и заданной детали, далее для каждой зафиксированной точки поверхности детали вычисляется и запоминается величина погрешности радиуса, а также производится сопоставление полученного значения радиуса с заданным полем допуска, и определяются участки поверхности детали, нуждающиеся в дальнейшей обработке, а после осуществления каждого прохода по совокупности вычисленных погрешностей для всех точек поверхности детали находится функция распределения погрешности обработки, с учетом которой для каждого участка поверхности детали рассчитывается подача инструмента на глубину обрабатываемой детали для следующего прохода, после чего в ходе осуществления очередного прохода производится коррекция поперечного положения инструмента на рассчитанные величины, кроме того, по завершении последнего прохода координаты точек поверхности обработанной детали запоминаются с целью использования информации о форме детали на последующих технологических операциях.

Другое отличие состоит в том, что погрешность поверхности детали, регистрируемая в процессе обработки, определяется как разность между измеренным текущим значением радиуса и размером, на который настроен механизм подачи инструмента на глубину обрабатываемой детали.

Кроме того, подача инструмента на глубину обрабатываемой детали для очередного прохода производится из условия, что случайная величина, равная сумме искомого радиуса обработки и погрешности обработки, с заданной вероятностью попадет в установленное поле допуска, причем эта вероятность определяется по функции распределения погрешности, полученной на предыдущем проходе.

Измерение и фиксация координат точек поверхности детали позволяет определить в ходе обработки статистическое распределение погрешностей, обусловленных различными причинами. Это дает возможность рассчитывать подачу инструмента на глубину обрабатываемой детали для следующего прохода таким образом, чтобы с заданной вероятностью не было бы допущено систематических погрешностей и нарушения требуемой геометрии детали. Помимо этого, постоянное сопоставление размеров обрабатываемой детали с заданными устраняет такие случайные погрешности, как необработанные до нужной величины диаметра участки поверхности, а также обработанные на текущем шаге на излишнюю глубину.

Принципиальное отличие предлагаемого способа состоит в том, что сопоставление с заданным полем допуска производится по всему множеству точек поверхности детали и управление глубиной резания осуществляется с учетом реального распределения погрешностей в ходе обработки. Это позволяет своевременно компенсировать возникающие погрешности, обеспечивая более высокое качество обработки.

Устройство для осуществления предложенного способа управления точностью многопроходной механической обработки отличается от выбранного прототипа, состоящего из станка, содержащего режущий или абразивный инструмент, установленный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном продольной оси обрабатываемой детали и оснащенный механизмом подачи инструмента на глубину обрабатываемой детали, а также приспособление для закрепления детали, оснащенное механизмом продольного перемещения и вращения детали, и измерительного блока тем, что оно снабжено схемой управления, содержащей блок вычисления цилиндрических координат поверхности обрабатываемой детали, к трем входам которого подключены выходы измерительного блока, а выход связан со входом блока запоминания формы обрабатываемой детали, выход которого соединен с первыми входами блоков нахождения функции распределения погрешности обработки, сравнения параметров обрабатываемой детали с заданной и формирования видеоизображения обрабатываемой и эталонной детали, причем последний из упомянутых блоков подключен своим выходом ко входу блока индикации, а его второй вход соединен с одним из выходов блока задания требуемой геометрии изделия, связанного другим своим выходом со вторым входом блока сравнения параметров обрабатываемой детали с заданной, выход которого подсоединен к одному из входов блока расчета программы очередного прохода, с другим входом и первым выходом которого связаны соответственно выход и второй вход блока нахождения функции распределения погрешностей обработки, а второй выход блока расчета программы очередного прохода соединен с одним из входов блока задания поперечной подачи инструмента, к двум другим входам которого подключены второй и третий выходы измерительного блока а выход подключен к управляющему входу механизма подачи инструмента на глубину обрабатываемой детали, кроме того, измерительный блок содержит датчик радиуса обрабатываемой детали, датчик продольного перемещения детали и датчик угла поворота детали, выходами которых образован соответственно первый, второй и третий выходы измерительного блока.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для многопроходной механической обработки; на фиг. 2 схема токарно-револьверного станка; на фиг. 3 дана графическая иллюстрация методики вычисления цилиндрических координат точек поверхности обрабатываемой детали; на фиг. 4 схема вычисления погрешности обработки; на фиг. 5 схема похождения функции плотности распределения погрешностей.

Устройство состоит (фиг. 1) из станка 1, измерительного блока 2 и схемы управления 3. Станок 1 содержит режущий или абразивный инструмент 4, установленный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном продольной оси обрабатываемой детали 5, и оснащенный механизмом 6 подачи инструмента на глубину обрабатываемой детали 6, а также приспособление 7 для закрепления детали 7, оснащенное механизмом 8 продольного перемещения детали относительно инструмента и механизмом 9 вращения детали. На станке 1 размещается измерительный блок 2, включающий в себя датчик 10 радиуса обрабатываемой детали, датчик 11 продольного перемещения детали 11 и датчик 12 угла поворота детали. Схема управления 3 содержит блок 13 вычисления цилиндрических координат поверхности обрабатываемой детали, входы которого соединены с выходом датчиков 10, 11, 12 измерительного блока 2, а выход связан со входом блока 14 запоминания формы обрабатываемой детали 9. Выход блока 14 соединен с первыми входами блоков 15 нахождения функции распределения погрешностей обработки, блока 16 сравнения параметров обрабатываемой детали с заданной и блока 17 формирования видеоизображения обрабатываемой и эталонной детали. Вторые входы блоков 15 и 17 подсоединены к выходам блока 18 задания требуемой геометрии детали, выходы блоков 15 и 16 заведены на входы блока 18 расчета программы очередного прохода, один из выходов которого связан со вторым входом блока 15 нахождения функции распределения погрешности обработки, а другой выход соединен с одним из входов блока 20 задания поперечной подачи инструмента, к другим входам которого подключены выходы датчика 11 продольного перемещения детали и датчика 12 угла поворота детали, а выход блока 20 соединен с управляющим входом механизма 6 подачи инструмента на глубину обрабатываемой детали станка 1. Кроме того, выход блока формирования видеоизображения обрабатываемой и эталонной детали связан со входом блока индикации 21.

В качестве станка может быть использован, например, токарно-револьверный станок [2] (фиг. 2), содержащий станину 22, установленную на ней шпиндельную бабку 23 с возможностью перемещения по направляющим 24 и суппорт 25 с револьверной головкой 26, в которой закреплен режущий инструмент 27. Суппорт 25 установлен с возможностью перемещения на направляющих 28. Револьверная головка 26 оснащена приводом малых перемещений 29.

Другим примером станка 1 может служить круглошлифовальный станок для наружного шлифования [3] содержащий станину с направляющими для продольного перемещения стола и шлифовальной бабки. Внутри станины располагается гидроцилиндр, обеспечивающий возвратно-поступательное движение стола. Стол станка несет бабку с патроном для зажима заготовки. Шлифовальная бабка содержит шпиндель с закрепленным абразивным кругом. Шпиндель обеспечивает вращение круга с необходимой скоростью резания и его перемещение на глубину обрабатываемой заготовки.

В качестве датчика 10 радиуса обрабатываемой детали может быть использована измерительная головка [4] содержащая подвижный щуп, контактирующий с поверхностью обрабатываемой детали и соединенный с помощью рычага с линейкой с штриховой шкалой. Отклонения щупа вызывают перемещение линейки относительно фотоэлектрической считывающей головки. Головка преобразует перемещение линейки в последовательность импульсов, которые поступают на электронный блок и преобразуются им в цифровой код. Датчик 10 устанавливается на станке 1, например, на суппорте, таким образом, чтобы измерительный щуп постоянно находился на фиксированном расстоянии за режущим или абразивным инструментом 4 (считая по направлению рабочего перемещения детали), т.е. при таком расположении чувствительного элемента датчика 10 должно обеспечиваться измерение обработанной на текущем проходе поверхности детали.

В качестве датчика 11 продольного перемещения детали может быть использован аналогичный датчик линейных перемещений на основе линейки с штриховой шкалой и фотоэлектрической считывающей головкой [4] Подвижная часть датчика 11 устанавливается на механизме продольного перемещения детали относительно инструмента 8 (например, на шпиндельной бабке токарно-револьверного станка), а неподвижная часть датчика 11 устанавливается на станине станка 1.

В качестве датчика 12 угла поворота детали 1 может быть использована дифференциальная система измерения угловых размеров [4] содержащая круговую штриховую шкалу, считывающую фотоэлектрическую головку и электронный блок преобразования результатов измерения в цифровую форму. Датчик 12 устанавливается на станке 1 на механизме вращения детали 9 (например, на шпинделе станка).

Функция схемы управления 3 могут быть реализованы прсональным компьютером типа IBM PC, оснащенным устройствами ввода и вывода графической информации, интерфейсом для приема сигналов с цифровых датчиков и управления станком, а также программными средствами для обработки графических объектов, например пакетом программы AutoCAD [5]
Способ осуществляется следующим образом. До начала обработки в блок 18 задания требуемой геометрии детали вводится исходная информация об обрабатываемом изделии: геометрические параметры, допуски и т.п. После этого осуществляется первый проход. В процессе прохода блоком 13 на основании информации, поступающей с датчиков 10, 11, 12 измерительного блока 2, вычисляются цилиндрические координаты точек поверхности обрабатываемой детали: длина радиуса-вектора ρ полярный угол v и аппликата Z. (фиг. 3) Вычисленные координаты запоминаются блоком 14. Далее эта информация поступает на блок 15 нахождения функции распределения погрешности обработки, блок 16 сравнения параметров обработанной поверхности с заданной и блок 17 формирования видеоизображения обрабатываемой и эталонной детали.

В блоке 15 производятся следующие вычисления. Для каждой зафиксированной точки поверхности обрабатываемой детали определяется и запоминается абсолютная величина погрешности радиуса:
D_i=ρ_i-r(z_i),
где
ρ_i значение радиуса для рассматриваемой точки поверхности, полученное в результате измерений (фиг. 4);
r(Z_i) радиус обработки рассматриваемого участка поверхности, на который настроен станок, задаваемый блоком 19 расчета программы очередного шага обработки (в общем случае радиус обработки может быть непостоянным для одного прохода);
Z_i расстояние от начала обрабатываемой поверхности до рассматриваемой точки.

После осуществления прохода в блоке 15 образуется выборка абсолютных величин погрешности для всех зафиксированных точек поверхности Δ₁, Δ₂, ..., Δ_n. По этой выборке находится статистическая функция плотности распределения погрешности обработки на рассматриваемом проходе, которая аппроксимируется соответствующим теоретическим законом, например, нормальным [6] (фиг. 4). Известно, что в процессе механической обработки параметры функции распределения погрешностей могут существенно изменяться, например, из-за износа инструмента, смещения центра вращения детали и т.п. поэтому описанная расчетная процедура проводится на каждом проходе.

Рассмотрим далее работу блока 16 сравнения параметров обработанной поверхности с заданной. После поступления значения радиуса очередной точки проверяется, попала ли она в установленное поле допуска [R_min, R_max] Предельные отклонения поверхности считываются из блока 18 задания требуемой геометрии детали, куда до начала процесса была введена исходная информация о параметрах изделия, которые необходимо обеспечить в ходе обработки. Таким образом блоком 16 определяются участки детали, которые нуждаются в дальнейшей обработке. Описанные выше операции также проводятся на каждом проходе.

Одновременно с этим информация о форме детали поступает с блока 14 на блок 17 формирования видеоизображения обрабатываемой и эталонной детали, с помощью которого на блоке индикации 21 отображается ход обработки и сопоставляется реальная форма поверхности детали с требуемой.

По завершении прохода информация с блока 15 нахождения функции распределения погрешности обработки 15 и блока 16 сравнения параметров обрабатываемой детали с заданной поступает на блок 19 расчета программы очередного прохода. Для участков поверхности детали, которые нуждаются в дальнейшей обработке (зафиксированных блоком 16), определяется глубина обработки на следующем проходе с учетом функции распределения погрешности f(Δ), полученной на предыдущем шаге процесса. Подача инструмента на глубину выбирается таким образом, чтобы вероятность попадания геометрического параметра в заданное поле допуска [R_min, R_max] была бы равна установленному уровню P^*, например P^*=0,999. Математически данное условие записывается в виде уравнения относительно переменной R - радиуса обработки рассматриваемого участка поверхности детали:

Таким образом, блоком 19 рассчитывается программа обработки на следующем проходе, которая поступает на блок 20 задания поперечной подачи инструмента. На очередном проходе блок 20 в соответствии с рассчитанной программой и на основании сигналов датчика 11 продольного перемещения и датчика 12 угла поворота детали вырабатывает управляющее воздействие на механизм в подачи инструмента на глубину обрабатываемой детали, обеспечивая отработку программы.

Описанные процедуры циклически повторяются на последующих проходах до тех пор, пока параметры детали не будут соответствовать заданным. По завершению обработки в блоке 14 сохраняется информация об окончательной форме детали для ее использования, например, в процессе доводки, сортировки и т.п.

Применение способа управления точностью механической обработки и устройства для его осуществления позволяет уменьшить процент производственного брака и повысить качество выпускаемой продукции.

Использование: обработка металлов резанием. Сущность изобретения: до начала обработки задаются требуемые размеры детали и их допуски. При осуществлении каждого прохода фиксируются цилиндрические координаты обрабатываемой поверхности. Далее, для каждой зафиксированной точки определяется погрешность обработки и производится сопоставление текущего размера детали с заданным полем допуска. По завершении прохода вычисляется функция распределения погрешности обработки. С учетом полученной функции рассчитывается поперечная подача режущего или абразивного инструмента для очередного прохода. На следующем проходе производится коррекция поперечного положения инструмента на рассчитанные величины подачи. Поперечная подача инструмента определяется из условия, что сумма радиуса обработки и погрешности с заданной вероятностью попадет в установленное поле допуска. Вычисление этой вероятности производится по функции распределения погрешности, полученной на предыдущем проходе. Устройство для осуществления предложенного способа состоит из станка, измерительного блока и схемы управления. Измерительный блок фиксирует координаты поверхности детали в процессе обработки. Схема управления производит обработку результатов измерений и формирует управляющие воздействия на механизмы станка. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления точностью многопроходной механической обработки, согласно которому после осуществления каждого прохода измеряется диаметральный размер обрабатываемой детали, сравнивается с заданным и перед следующим проходом производится коррекция положения инструмента на величину рассогласования измеренного и заданного размеров, отличающийся тем, что до начала обработки задаются требуемые геометрические параметры детали и их допуски, в ходе каждого прохода для всех точек обработанной поверхности измеряется величина радиуса, расстояние в продольном направлении от начала поверхности детали и угол поворота детали, по результатам измерений вычисляются и запоминаются координаты точек обрабатываемой детали, одновременно с этим формируется видеоизображение обрабатываемой и заданной детали, далее для каждой зафиксированной точки поверхности детали вычисляется и запоминается величина погрешности радиуса, а также производится сопоставление полученного значения радиуса с заданным полем допуска и определяются участки поверхности детали, нуждающиеся в дальнейшей обработке, а после осуществления каждого прохода по совокупности вычисленных погрешностей для всех точек поверхности детали находится функция распределения погрешности обработки, с учетом которой для каждого участка поверхности детали рассчитывается подача инструмента на глубину обрабатываемой детали для следующего прохода, после чего в ходе осуществления очередного прохода производится коррекция поперечного положения инструмента на рассчитанные величины, кроме того, по завершении последнего прохода координаты точек поверхности обработанной детали запоминаются с целью использования информации о форме детали на последующих технологических операциях. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что погрешность поверхности детали, регистрируемая в процессе обработки, определяется как разность между измеренным текущим значением радиуса и размером, на который настроен механизм подачи инструмента на глубину обработки детали. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подача инструмента на глубину обработки детали для очередного прохода производится из условия, что случайная величина, равная сумме искомого радиуса обработки и погрешности обработки, с заданной вероятностью попадет в установленное поле допуска, причем эта вероятность определяется по функции распределения погрешности, полученной на предыдущем проходе. 4. Устройство для управления точностью многопроходной механической обработки на станке, содержащем режущий или абразивный инструмент, установленный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном продольной оси обрабатываемой детали, и оснащенный механизмом подачи инструмента на глубину обработки детали, а также приспособление для закрепления детали, оснащенное механизмом продольного перемещения и вращения детали, включающее измерительный блок, отличающееся тем, что устройство снабжено схемой управления, содержащей блок вычисления цилиндрических координат поверхности обрабатываемой детали, к трем входам которого подключены выходы измерительного блока, а выход связан с сходом блока запоминания формы обрабатываемой детали, выход которого соединен с первыми входами блоков нахождения функции распределения погрешности обработки, сравнения параметров обрабатываемой детали с заданной и формирования видеоизображения обрабатываемой и эталонной детали, причем последний из упомянутых блоков подключен своим выходом к входу блока индикации, а его второй вход соединен с одним из выходов блока задания требуемой геометрии детали, связанного другим своим выходом с вторым входом блока сравнения параметров обрабатываемой детали с заданной деталью, выход которого подсоединен к одному из входов блока расчета программы очередного прохода, с другим входом и первым выходом которого связаны соответственно выход и второй вход блока нахождения функции распределения погрешностей обработки, а второй выход блока расчета программ очередного прохода соединен с одним из входов блока задания поперечной подачи инструмента, к двум другим входам которого подключены второй и третий выходы измерительного блока, а выход подключен к управляющему входу механизма подачи инструмента на глубину обработки детали, кроме того, измерительный блок содержит датчик радиуса обрабатываемой детали, датчик продольного перемещения детали и датчик угла поворота детали, выходами которых образованы соответственно первый, второй и третий выходы измерительного блока.